传感器与检测技术考试
复 习 题
第0章 传感器与检测技术概念
- 传感器的定义及传感器的组成 P1 ★
能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置称为传感器。传感器由敏感元件、转换元件、信号调节转换电路和辅助电源四部分组成,如图所示。
3、解释下列名词术语： ★
①敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。
②传感器：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。
③信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的装置。
④变送器：能输出标准信号的传感器。
- 传感器的特性
1、什么是传感器的静态特性？静态特性有哪些主要指标？ ★
传感器的静特性是指当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性。其主要指标有非线性误差、迟滞、重复性、灵敏度与灵敏度误差、分辨率、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰能力和静态误差。
3、举例：表为对某荷重传感器标定时的实测数据，试采用端点连线法计算迟滞误差和非线性误差。★
表 称重传感器实测数据
| X（KG） |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
| Y（正行程输出）(mV) |
0.00 |
3.95 |
8.10 |
12.35 |
16.16 |
20.00 |
| Y（反行程输出）(mV) |
0.02 |
4.14 |
8.35 |
12.78 |
16.45 |
|
| 端点拟合直线yi(mV) |
0 |
4.00 |
8.00 |
12.00 |
16.00 |
20.00 |
| 线性度残差△i (mV) |
0.02 |
-0.05 |
+0.10 |
+0.35 |
+0.16 |
|
| 正反行程残差△j (mV) |
-0.02 |
-0.19 |
-0.25 |
-0.43 |
-0.29 |
（1）用端点连线法求拟合直线：
，如表中端点拟合直线yi；
（2）求各点线性度残差：△i=Yi(输出值)-Yi(拟合直线值)，如表中线性误差数据△i，可见最大残差为：△Lmax= =0.35
(3)求正反行程残差：△j=Yi(正行程输出值)-Yi(反行程输出值，)，如表中正反行程残差△j，可见最大误差为△Hmax= =0.43
(4) 计算非线性误差： 由公式
(5)计算滞后误差： 由公式
第3章 电感式传感器
1、自感式传感器的工作原理是什么？自感传感器为什么采用差动结构？★
自感传感器由衔铁、固定铁芯和线圈组成。自感传感器的工作原理是利用线圈自感的变化来实现测量的一种装置。即通过改变固定铁芯和衔铁之间的距离或两者之间的相对面积从而引起自感量的变化。
自感传感器采用差动结构是为了提高传感器的灵敏度及降低非线性误差。
2、推导差分变隙式自感传感器的灵敏度。并分析差分自感式传感器与单级式自感式传感器的灵敏度及非线性误差的不同。★
差分工作时，其中的一个传感器的电感量增大，另一个减小，即有：
；
当Dl/l0<<1时：
，
差动方式工作时总的电感量△L为，
，
根据灵敏度的定义，则差动形式工作时灵敏度为 ：
而单级方式工作时时灵敏度为：
可见，差动式的灵敏度约为单级式的2倍，同时非线性大大减小。
4、差动变压器式传感器的工作原理。 ★
（）差动变压器一般由固定铁芯、衔铁、一个或两个初级线圈和两个次级线圈组成，激励电源采用交流电源供电；
（2）差动变压器的工作原理是：（a）当衔铁不工作处在两个次级线圈的中间位置时，由于初级和两个次级线圈的互感系数相同，由于两个次级同名端反向串接后因此输出电压为零。(b)当衔铁偏离中间位置时，两个次级和初级间的互感系数不同，两个次级同名端反向串接后有不为零的电压输出，且其电压幅值就能反映衔铁偏离中间位置的距离。通过后续的相敏检波等调理电路可以测出衔铁的移动的距离。
5、差动变压器的等效电路如图所示，说明初级线圈绕组和次级线圈绕组的连接方式 P54-55 ★
（1）等效电路图中r1a、r1b为传感器一次绕组w1a、w1b的直流电阻，L1a L1b为w1a、w1b的电感，r2a、r2b、L2a、L2b为两个二次绕组w2a、w2b的直流电阻和电感，Ma为一次绕组w1a与二次绕组w2a间的互感、Mb一次绕组w1b与二次绕组w2b间的互感。
（2）初级线圈绕组和次级线圈绕组的连接方式是差动变压器的初次绕组为W1a,W1b同名端顺向串接连接方式，次级绕组为W2a,W2b同名端反向串接连接方式。
7、什么是涡流效应？电涡流传感器测量位移时，直接被测对象可以是什么？ ★
一个通有交变电流的传感器线圈，由于电流的变化，在线圈周围产生一个交变磁场H1，当被测金属置于该磁场范围内时（磁场垂直于被测金属表面），金属导体内便产生涡流，涡流也将产生一个新磁场H2，由于H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素等发生变化，这种效应称为涡流效应。
电涡流传感器测量位移时，直接被测对象应是导电导磁的块状金属。
第4章电容式传感器
1、电容式传感器有哪几种类型？哪种电容式传感器理论上是非线性的？极距变化型电容式传感器为什么要采用差动结构形式？P71 ★
电容式传感器有三种类型:即变极距型、变面积型和变介电常数型三种类型。
变极距型电容式传感器理论上是非线性的。
极距变化型电容式传感器采用差动结构是为了提高传感器的灵敏度及降低传感器的非线性误差。
2、电容式传感器工作原理是什么？电容式传感器可以测量哪些物理量？★
（1）电容式传感器的工作原理：由物理学知，两个平行金属极板组成的电容器。如果不考虑其边缘效应，其电容为C=εS/σ 式中ε为两个极板间介质的介电常数，S为两个极板对有效面积，σ为两个极板间的距离，通过检测电容量的变化即可反映被测量的大小。
（2）测量的物理量有：直线位移、角位移、振动振幅、压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、电介质的湿度、密度、厚度等。
距,介质为空气，求当极板间距时电容的变化量=? ★
第五章磁电式传感器
1、磁电感应式传感器的工作原理及磁电感应式传感器的结构类型 ★
磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础，利用导体和磁场发生相对运动时而在导体两端输出感应电动势的原理制成的传感器；
磁电感应式传感器有变磁通式磁电感应传感器和恒定磁通式磁电感应传感器两种。
3、霍尔式传感器的工作原理★
霍尔式传感器的工作原理是是基于霍尔效应，所谓霍尔效应即将一块长为l、宽为b，厚度为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场（磁场方向垂直于薄片）中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。这种现象称为霍尔效应。
4、说明霍尔式传感器的结构，说明霍尔元件做成较薄的原因。★
霍尔式传感器由霍尔片、四极引线和壳体组成。霍尔片为一块矩形的N型半导体薄片，在薄片的长度方向两端面焊有两根引线（控制电流端引线），通常用红色导线，其焊接处称为控制电流极（或称激励电极），在薄片的的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有两根霍尔输出端引线（霍尔电极），通常用绿色导线。霍尔元件的壳体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。
霍尔元件做成较薄的原因是为了提高输出灵敏度。
5、霍尔元件的主要技术指标有哪些？什么是霍尔元件的不等位电压？不等位电压是怎样产生的？ ★
霍尔元件的主要技术指标有：（1）额定激励电流IH ，（2）输入电阻Ri ；（3）输出电阻Rs ； （4）不等位电压及不等位电阻r0 ； （5）寄生直流电压； （6）热阻RQ 。
霍尔元件的不等位电压是：当霍尔元件通以控制电流IH而不加外磁场时，霍尔输出端之间仍有空载电压存在，该电压称为不等位电压。
产生不等位电压产生的原因有：
（a）霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等位面上）；
(b)半导体材料的不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不均匀；
(c)因控制电极接触不良造成控制电流不均匀等。
第6章压电式传感器
- 什么是压电效应？能否用压电式传感器测量静态力？★
（1）压电效应有正压电效应和逆压电效应两种。某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。
（2）压电式传感器不可以测量静态力。
3、石英晶体的压电常数矩阵如下，试分析：
（1）该矩阵的前三列和后三列分别表示的含义是什么？
（2）矩阵中的第三列和第三行全为零，表示的含义是什么？
（3）矩阵中d12和d25表示什么意思？ ★
（1）矩阵的前三列表示当石英晶体受到单向力作用时的压电效应，后三列表示石英晶体受到平面力(或平面剪切力)时的压电效应 。
（2） 矩阵中的第三列都为零，表示沿着Z轴方向施加单向力，没有压电效应。 第三行全为零，表示给石英晶体施加单向力与剪切力，在Z轴上没有压电效应应。
（3）d11表示沿着X轴(j=1)施加单向力，在垂直于X轴(i=1)的两个表面产生电荷；d26表示在XY平面内(j=6)施加剪切力，在垂直于Y轴(i=1)的表面上产生电荷。
4、压电晶片的连接方式有几种？各种连接方式有何特点？ ★
压电晶片有两种连接方式，即串联连接方式和并联连接方式。串联连接法可以提高输出电压，电容量变小，并联连接法可以增大输出电荷量，电容量变大。
6、举例：压电式单向测力传感器如图所示，试分析其工作原理并说明压电晶片的连接方式。★
组成： 压电式单向测力传感器由基座、电极、石英晶片、绝缘套、上盖等组成。上盖为传力元件，绝缘套用来绝缘和定位。
晶片的连接：两个压电晶片采用并联形式连接，目的是增加输出的电荷量。
工作原理：当上盖受到力的作用后，使晶片变形并产生电荷，该电荷经电极输出，电荷的大小与所加的力F成比例，因此通过检测电荷量的大小就能反映被测力的大小。
第7章 光电式传感器
1、什么是光电效应？光电效应有几类？每种光电效应应用于什么样的场合？★
（1）物体吸收了能量为E的光子以后，产生的电效应，称为光电效应。
（2）光电效应有三类：第一类是利用在光线作用下材料中电子溢出表面的现象，即外光电效应，这一类传感器有光电管、光电倍增管；第二类是利用在光线作用下材料电阻率发生改变的现象，即内光电效应或光电导效应。这一类传感器有光敏电阻。第三类是利用在光线作用下光势垒发生变化的现象，即光生伏特效应，这一类传感器有光电磁。
3、举例： 光电测微装置如图7-21所示，试分析其工作原理。★
光电测微装置是利用遮光原理制成的。工作原理是：从光源3发出的光束，经过透镜、调制板4和样板环2的间隙到达光电元件5上，样板环间隙的大小是由被检测尺寸大小所决定的，当被检测尺寸改变时，间隙发生变化，从而使到达光电元件的光通量随着改变，因此光电元件检测的光电信号就反映了被检测零件尺寸的变化。为使零件尺寸与光电输出之间有良好的线性关系，光电元件的光电特性应有良好的线性。
5、反映光纤纤芯接收光通量的参数是什么？数值孔径的含义是什么？ ★
反映光纤纤芯接收光量的一个重要参数是数值孔径。数值孔径的含义是反应了光纤纤芯接收光通量的多少，是标志光纤接收性能的一个重要参数，其意义是无论光源发射的功率有多大，只有2θc角之内的光功率能被光纤接受传播。
7、CCD电荷耦合器件的工作机理是什么？★
CCD电荷耦合器件是一种半导体器件，在N型或P型硅衬底上生长一层很薄的SiO2，再在SiO2薄层上依次序沉积金属电极，这种规则排列的MOS电容数组再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。CCD可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到图像传感器的作用。
9、莫尔条纹的特点 ★
（1）莫尔条纹的运动与光栅的运动具有对应关系，在光栅副中，任一光栅沿着垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就沿着近似垂直于光栅移动方向运动，当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就移动一个条纹间距，当光栅改变移动方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向；
（2）莫尔条纹具有位移放大作用，放大系数为，式中k为放大系数，B为莫尔条纹间距，W为栅距，；θ为光栅副夹角；如W=0.02mm, θ=0.1°，则莫尔条纹宽度B=11.45692mm,k=573。
（3）莫尔条纹具有平均误差的作用；若假设单个栅距误差为δ，形成莫尔条纹区域内有n条刻线，则综合误差可近似为；
10、激光传感器的工作原理 是什么？ ★
激光传感器是以光的干涉现象为基础，由物理学可知，波长（频率）相同、相位相关的两束光具有相干性，也就是说，当它们互相交叠时，会出现光强增强或减弱的现象，产生干涉条纹，激光传感器利用激光产生的干涉条纹随被测长度的变化而变化的原理可实现长度测量。
第八章热电式传感器
2、热电阻测量电桥电路三线连接法如图所示，试分析其电路工作原理★
图 热电阻测量电桥电路三线连接法
该热电阻测量温度电路由热敏电阻、电桥测量电路和显示仪表组成。图中G为指示仪表，R1、R2、R3为固定电阻，Ra为零位调节电阻。热电阻Rt分别与r2、r3、Rg的三个导线和电桥连接，r2和r3分别接在相邻的两臂上。工作原理是：当温度变化时，只要r2、r3、Rg三个导线的长度与和电阻温度系数相同，则其它们的电阻变化不会影响电桥的平衡状态，即不会产生温度误差。电桥在零位调整时，应使R4=Ra+Rt0为电阻在参考温度（如0°C）时的电阻值。
3、什么是热电效应? 热电偶输出热电势与热电偶什么参数有关？ ★
（1）两种不同材料的导体（或半导体）A、B串接成一个闭合回路如图所示，并使结点1和2处于不同的温度T、T0中，那么回路中就会存在热电势，因而就有热电流，这一现象称为热电效应或塞贝克效应。
（2）热电偶输出的热电势与热电偶热冷端的温度有关，即热电偶热冷端的温差数值越大，热电偶输出热电势就越大。
4、热电偶的热电动势由哪几部分构成 ★
热电动势由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势构成。
接触电动势是由于互相接触的两种导体内部自由电子的密度不同造成的，热电偶回路的总接触电动势为：
温差电动势是由于导体两端的温度不同造成的。热电偶回路的总温差电动势为：
热电偶总热电动势为：
5、热电偶的三定律是什么？分析三定律的应用 ★
（a）中间导体定律 在热电偶回路中，若在回路中接入中间导体，只要中间导体两端的温度相同，则对热电偶回路总的热电势无影响。
即EABC(T,T0)=EAB(T,T0)
应用：在用热电偶测温时，连接导线及显示仪表均可看成中间导体。
（b）标准电极定律：如果将导体C(热电极)作为标准电极（也称参考电极），并已知标准电极与任意导体配对时的热电动势，那么在相同结点温度（T,T0）下，任意两导体A、B组成的热电偶，其热电动势可由下式求得：EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)
应用：标准电极定律可大大简化热电偶的选配工作。在实际工作中，只要获得有关热电极与标准铂电极配对的热电动势，那么由这两种热电极配对组成热电偶的热电动势便可由上式求得，而不需逐个进行测定。
（c）连接导体定律和中间温度定律：
连接导体定律：在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导体相连接，结点温度分别为T、Tn、T0，那么回路的热电动势将等于热电偶的热电动势EAB(T,Tn)与连接导线在温度为Tn、T0时热电动势代数和，即
中间温度定律：任何两种均匀材料组成的热电偶，热端为T，冷端为T0时的热电动势等于该热电偶热端为T，冷端为Tn时的热电动势与同一热电偶热端为Tn，冷端为T0时热电动势的代数和。
即：E(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)
应用：对热电偶冷端不为0°C时，可用中间温度定律加以修正。热电偶的长度不够时，可根据中间温度定律选用适当的补偿线路。
6、举例： 热敏电阻自动控温仪测温电路如图所示，试分析工作原理. ★
测温用的热敏电阻为Rt为正温度系数，将它作为偏置电阻接在T1、T2管组成的差分放大器电路内，当温度变化时，热敏电阻的阻值发生变化，引起T1管集电极电流变化，经二极管D2引起电容器C充电电流的变化，改变了充电速度，从而使单结晶体管额输出脉冲产生相移，改变晶闸管DS的导通角，由此调节电热丝总的加热电流，达到自动控制温度的目的。
第12章传感器标定
2、传感器静态特性标定的方法及步骤 ★
首先要创造一个静态标准条件;其次是选择被标定传感器的精度要求相适应的一定等级的标定仪器设备; 具体标定过程如下：
①将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；
②根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点地输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；
③将输入值值由大到小的逐点减少下来，同时记录下与各输入值相对应的输出值；
④按②③所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出-输入测试数据用表格列出或画成曲线；
⑤对测试数据进行必要的处理，根据处理结果确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态指标。
3、测振传感器的标定方法有哪几种？★
(1)绝对标定法 绝对标定法即以复现振动量值为最高基准的标定方法；
(2)比较法，即以绝对法标定的标准测振仪作为二等标准用的标定工作的基准测振仪，把被标定的传感器数据与标准传感器的数据进行比较的一种标定方法。
4、激波管标定装置的是如何组成的？★
- 激波管：（2）入射激波测速系统；（3）标定测量系统（4）气源系统
5、描述激波管阶跃压力波的特性指标有哪些？激波管标定装置对指标有何要求？
指标有：（1）上升时间tR；（2）持续时间τ两个指标。
上升时间tR决定了能标定的上限频率，若tR大，阶跃波所含高频分量必然相应减少。为了扩大标定频率范围，应尽量减少tR，使之接近于理想方波。持续时间τ决定了可能标定传感器的最低频率，标定时在阶跃波激励下传感器将产生过渡过程，从精度和可靠性出发，τ值应尽可能大。
第十三章可靠性基础概述
- 可靠性定义★
是指产品在规定条件下、规定时间内，完成规定功能的能力。
2、 产品可靠性技术的特点是什么？★
产品可靠性的特点有：（1）时间性；（2）统计性 ；（3）两重性；（4）可比性；（5）突出可用性；（6）有一套指标体系
4、产品可靠性设计的程序：★
产品可靠性设计的程序是：
①建立系统可靠性模型；如可靠性框图、可靠性网络图、马尔可夫状态转移图等。
②进行可靠性分配； 将可靠性指标分配到产品的各个环节和各道工序上；
③可靠性分析，对每个环节和每道工序的可靠性进行分析；
④可靠性预测； ⑤可靠性设计与评审；
⑥试制品的可靠性试验 ； ⑦产品最终的改进设计。
第十四章检测技术概述
4、测量系统的组成 ★
由测量系统由敏感元件、变量转换环节、变量控制环节、数据传输环节、数据显示环节和数据处理环节六个环节组成。如图所示
7、减小测量系统误差有哪几种方法？★
(1)引入更正值法； (2)替换法； (3)差值法； (4)正负误差相消法； (5)选择最佳测量方案；